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Selbstdruckerzeugendes Gleitlager
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbst druckerzeugen des Gleitlager
für zwei entgegengesetzte Gleitrichtungen, bei dem mindestens eine der aufeinander
gleitenden Gleitflächen mit einer oder mehreren Reihen von in Gleitrichtung hintereinander
liegenden und schräg zur Gleitrichtung zeigenden Rillen versehen list, wobei die
Rillen jeder Reihe das Strömungs-oder Schmiermittel von ihren Einströmenden auf
der Einströmseite der zugehörigen Reihe zu ihren Stauenden auf der Stauseite dieser
Reihe hydrodynamisch pumpen.
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Es ist ein selbstdruckerzeugendes Wellengleitlager für beide Drehrichtungen
bekannt, bei dem eine Reihe von abwechselnd schräg zur Gleitrichtung geneigten,
mit in Gleitrichtung zeigenden Verbindunge rillen miteinander verbundene Rillen
in der umlaufenden Welle eingearbeitet sind (US-PS 2 598 476). Kieses bekannte Gleitlager
hat den Nachteil, daß das Strömungs-oder Schmiermittel in den Verbindungsrillen
von den hydrodynamiech zur Stauseite hin pumpenden Rillen zu den benachbarten, gegensinnig
schräg zur Gleitrichtung geneigten Rillen abgeführt wird, 80 daß nur ein ganz kleiner
Teil des Strömungs-oder Schmiermittels zu den Stauenden der hydrodynamisch pumpenden
Rillen gelangt. Dementsprechend verursacht das an den Stauenden dieser Rillen entlassene
Strömungs-oder Schmiermittel eine geringe Druckerhöhung im Gleitlager, so daß die
hydrodynamische Tragfähigkeit des bekannten Gleitlagers recht klein ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes selbstdruckerzeugendes
Gleitlager der angegebenen Gattung zu schaffen, welches eine große hydrodynamische
Tragkraft aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rillen
jeder Reihe abwechselnd schräg zur Gleitrichtung geneigt sind, wobei die Stauenden
jeweils zweier benachbarter Rillen jeder Reihe in unmittelbarer Nähe voneinander
liegen. Auf diese Weise wird das Strömungs-oder Schmiermittel der Rillen mit der
bei der vorliegenden Gleitrichtung hydrodynamisch zum Stauende pumpenden Schräge
derart am Stauende dieser Rillen entlassen, daß dieses an den in unmittelbarer Nähe
liegenden Stauenden der zugehörigen benachbarten, entgegengesetzt schräg zur Gleitrichtung
geneigten Rillen mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmt und somit, ähnlich einer
Venturirohrströmung, einen Unterdruck in diesen benachbarten Rillen hervorruft.
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Wegen dieses Unterdruckes ist eine Rückströmung des in den benachbarten
Rillen befindlichen Strömungs-oder Schmiermittels in Richtung der Einströmenden
dieser Rillen verhindert und das am Stauende dieser Rillen befindliche Strömungs-oder
Schmiermittel wird in Richtung des mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden Strömung
oder Schmiermittels mitgerissen.
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Bei Umkehrung der Gleitrichtung werden die besagten benachbarten Rillen
mit ihrer entgegengesetzt schrägen Neigung hydrodynamisch wirksam, indem sie das
Strömungs-oder Schmiermittel von ihren Einströmenden zu den entsprechenden Stauenden
pumpen und dort ins Innere des Gleitlagers entlassen. Analog zur Wirkung bei der
vorhergehenden entgegengesetzten Gleitrichtung wird dann an den in unmittelbarer
Nähe liegenden Stauenden der zugehörigen benachbarten Rillen ein Unterdruck erzeugt.
Hierdurch wird wiederum das Strömungs-oder Schmiermittel in den zugehörigen benachbarten
Rillen festgehalten bzw. an den Stauenden dieser Rillen in Richtung des mit hoher
Geschwindigkeit vorbeiströmenden Strömungs-oder Schmiermittels mitgenommen.
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Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung liegen die Stauenden mindestens
einer Reihe von Rillen am Rand einer Drosselfläche, so daß ein relativ hoher Staudruck
im Schmierspalt zwischen dieser
Drosselfläche und der auf dieser
gleitenden Gleitfläche des Gleitlagers entsteht, der die Tragfähigkeit des Gleitlagers
erhöht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt der Rand der Drosselfläche,
an dem die Stauenden einer Reihe von Rillen liegen, ein Rand derselben Drosselfläche
gegenüber, an dem die Einströmenden einer quer zur Gleitrichtung hintereinandergeschalteten
Reihe von Rillen liegen. Durch diese Hintereinanderschaltung zweier bzw.
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mehrerer Reihen und entsprechende sukzessive Vergrößerung des hydrodynamischen
Staudrucks von Reihe zu Reihe wächst die Tragkraft des Gleitlagers.
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Nach einem zusätzlichen erfindungsgemäßen Merkmal weisen die Rillen
einer Reihe relativ zu den Rillen einer zusätzlichen Reihe einen unterschiedlichen
Schrägungswinkel zur Gleitrichtung auf. Jede einzelne Reihe von Rillen besitzt somit
eine vorbestimmte hydrodynamische Pumpwirkung, die der Lagerkonatruktion und den
optimalen Druck-Strömungaverhältnissen im Gleitlager ohne weiteres angepaßt werden
kann.
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Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Reihen des Gleitlagers durch
abwechselnd angeordnete Paare von kurzen Rillen und langen Rillen gebildet, so daß
eine kombinierte Pumpwirkung der Rillen einer Reihe mit vorteilhaft dichter Verteilung
der hydrodynamisch wirksamen Rillen pro Flächeneinheit der mit Rillen versehenen
Gleitfläche vorhanden ist.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung können sich die Rillenmindestens
einer Reihe zu ihrem Stauende hin verengen. Durch bilden sich in den nicht hydrodynamisch
pumpenden Rillen durch das am Stauende dieser Rillen vorbeiströmende Strömungs-oder
Schmiermittel Wirbel, die in Gleitrichtung gegen die Begrenzungskante der Rillen
gedrückt und somit durch viskose Reibung an dieser Begrenzungskante festgehalten
werden. Die Wirbel verhindern also ein Abströmen des in den nicht hydrodynamisch
pumpenden Rillen befindlichen Strömungs-oder Schmiermittels zu den Einströmenden
dieser Rillen.
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Die Rillen können sich aber auch in ihrer Tiefe zum Stauende hin tertletnern.
Dadurch ergibt sich am Stauende der bei der vorliegenden
Gleitrichtung
hydrodynamisch pumpenden Rillen einer Reihe eine relativ große Strömungsgeschwindigkeit
(Dtisenwirkung!) und der entsprechende Unterdruck bzw. die entsprechende Wirbelbildung
an den Stauenden der benachbarten, bei dieser Gleitrichtung nicht pumpenden Rillen
ist genügend groß, um das Strömungs-oder Schmiermittel an einer funktionsschädlichen
Rückströmung zu den Einströmenden dieser Rillen zu hindern.
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Die in unmittelbarer Nähe liegenden Stauenden zweier benachbarter
Rillen können erfindungsgemäß in ihrer Richtung ineinander übergehen, so daß schädliche
Ablösungen der Strömung an den Staukanten der bei der vorliegenden Gleitrichtung
nicht pumpenden Rillen nicht entstehen können.
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Erfindungsgemäß mündet bei mindestens einem Teil der Rillen einer
oder mehrerer Reihen das Einströmende in einen schmiermittelbevorrateten Raum bzw.
Vorratsraum.
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Jeweils zwei benachbarte Rillen einer oder mehrerer Reiben, deren
Stauenden in unmittelbarer Nähe voneinander liegen, können erfindungsgemäß einen
unterschiedlich großen Schrägungswinkel aufweisen. Dadurch kann die hydrodynamische
Pumpwirkung der Pillen, welche von der Größe dieses Schrägungswinkels abhängig ist,
den unterschiedlich großen Gleitgeschwindigkeiten in der einen und in der anderen,
entgegengesetzten Gleitrichtung derart angepaßt werden, daß eine ausreichende Tragfähi6kFit
des Gleitlagers für beide Gleitrichtungen erreicht wird.
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Nach anderen Merkmalen der Erfindung können die aufeinander gleitenden
Gleitflächen eben oder, zum Beispiel zylindrisch oder kugelig, gewölbt sein. Außerdem
können die Rillen spiralförmig verlaufen, so daß eine vorteilhaft große hydrodynamische
Pumpwirkung der Rillen erzielt wird.
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Nachfolgend wird anhand von Ausführungsbeispielen zusammen mit den
Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
selbstdruckerzeugendes Gleitlager, Fig. 2 eine Draufsicht gemäß A - A in Figur 1
auf die mit Rillen versehene Gleitfläche, Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht der strichpunktiert
umrandeten Stelle B in Figur 2, Fig. 4 eine Draufsicht auf die mit Rillen versehene
Gleitfläche eines abgeänderten erfindungsgemäßen Gleitlagers, Fig. 5 einen Querschnitt
entlang der linie C - C in Figur 4, und Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres
abgeändertes erfindungsgemäßes Gleitlager.
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Mit 1 ist in Figur 1 eine in Richtung des Pfeiles 2 drehende Welle
bezeichnet, welche an ihrem Ende eine einstückige Wellenscheibe 3 mit Zentrieransatz
4 aufweist. Die stirnseitige ebene Gleitfläche 5 der Wellenscheibe 3 steht der ebenen
Gleitfläche 6 der stillstehenden Gehäusescheibe 7 gegenüber und wirkt mit dieser
zur Aufnahme von Axialbelastungen hydrodynamisch zusammen, wobei zwischen diesen
Gleitflächen 5,6 ein hydrodynamischer Druck eines Strömung oder Schmiermittels,
zum Beispiel Öl oder Luft, selbsttätig aufgebaut wird.
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Das Strömungs-oder Schmiermittel gelangt vom Zufilhrraui 8 über die
zentrale Bohrung 9 im Zentrieransatz 4 und radiale Anschlußbohrungen 10 in den Vorrataraum
25s und von dort in den Spalt 11 zwischen den Gleitflächen 5 und 6.
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Wie in Figur 2 deutlich zu sehen, ist in der Gleitfläche 6 der Gehäusescheibe
7 eine radial innere Reihe 12 von abwechselnd schräg zur Gleitrichtung 13 der Wellenscheibe
3 geneigten Rillen t4,15, sowie eine radial äußere Reihe 16 von abwechselnd schräg
zur Gleitrichtung 13 geneigten Rillen 17,18 eingearbeitet. Eine innere Drosselfläche
19 trennt die zwei Reihen 12 und 16 voneinander. Am radial äußeren Rand der Gleitfläche
6 befindet sich die äußere ringförmige Drosselfläche 20.
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Figur 3 zeigt die strichpunktiert umrandete Stelle B in Figur 2 in
vergrößertem Maßstab. Demnach liegt das Stauende 21 der Rille 15 in unmittelbarer
Nähe des Stauendes 22 der benachbarten Pille 14 der radial inneren Reihe 12. Das
Einströmende 23 der Pille 14 und das Einströmende 24 der Rille 15 münden am radial
inneren Rand der Gehäusescheibe 7 in den Strömungs-oder Schmiermittel enthaltenden
Vorratsraum 25 (siehe Figur 1).
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Auch bei der radial äußeren Reihe 16(siehe Figur 2) liegen die Stauenden
26 der Rillen 18 in unmittelbarer Nähe der Stauenden 27 der benachbarten Rillen
17.
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Die Funktionsweise des in den Figuren 1,2 und 3 gezeigten erfindungsgemäßen
Gleitlagere ist folgende: Die mit 13 in den Figuren 2 und 3 angedeutete Gleitrichtung
der Wellenscheibe 3 relativ zur Gehäusescheibe 7 wird durch die Drehung der Welle
1 ia Richtung des Pfeiles 2 in Figur 1 hervorgerufen.
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Bei dieser Gleitrichtung 13 wirken die Rillen 15 der inneren Reihe
12 und die Rillen 18 der äußeren Reihe 16 hydrodynamisch und pumpen das Strömungs-oder
Schmiermittel (vom Vorratsraum 25)mit ihren Einströmenden 24,28 zu ihren Stauenden
21,26. An diesen Stauenden 21,26 strömt das Strömungs-oder Schmiermittel wegen der
sich verkleinernden Rillenbreite bzw. wegen der kleinen Spalthöhe zwischen Drosselfläche
19,20 und Gleitfläche 5 mit hoher Geschwindigkeit aus und am Stauende 22,27 der
zugehörigen benachbarten Rille 14,17 vorbei so daß wie beim Venturirohreffekt ein
hydrodynamischer Unterdruck am Stauende 22,27 der Rillen 14,17 entsteht. Dieser
Unterdruck verhindert, daß das Strömungs-oder Schmiermittel in den zu den Rillen
15,18 entgegengesetzt schräg geneigten Rillen 14,17 zum Vorratsraum 25 zurückgepumpt
wird.
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In den nicht zum Stauende 22,27 pumpenden-benachbarten Rillen 14,17
entstehen übrigens die ia Figur 3 strichpunktiert eingezeichneten Wirbel 29 des
Strömungs-oder Schmiermittel welche entgegen dem Uhrzeigersinn drehen, denn das
mit hoher Geschwindigkeit entlang dem Stauende 22,27 strömende Strömungs-oder Schmiermittel
setzt
solche Wirbel 29 in Bewegung. Diese Wirbel 29 werden durch
die Strömung des Strömungs-oder Schmiermittels im Schmierspalt zwischen den Gleitflächen
5 und 6 in Gleitrichtung 13 verlagert und somit gegen die, der Gleitrichtung 13
entgegengesetzt liegende Kante 31 hin- und von der gegenüberliegenden Kante 32 der
Rille 14 weggedrückt. Die Folge davon ist, daß am gegen die Kante 31 gedrückten
Wirbel 29 eine viskose Andrückbremskraft wirkt, die entlang der Kante 91 den Wirbel
29 in Richtung des Stauendes 22 drückt. Dadurch wird die Bewegung der Wirbel 29
in Richtung des Einströmendes 23 aufgehalten und die das Strömungs-oder Schmiermittel
festhaltende Wirkung des weiter oben beschriebenen Unterdruckes wird vergrößert.
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Gleichzeitig bewirkt diese viskose Andrückbremskraft, daß sich die
Geschwindigkeit der Wirbelströmung bei einer etwaigen Entfernung der Wirbel 29 vom
Stauende 22 verlangsamt. Die Energie der Wirbel 29 wird dann im Gleitlager zum Rückgängigmachen
einer zum Einströmende 23 der Rillen 14 gerichteten Pumpwirkung verbraucht. Analog
hierzu liegen die Strömungeverhältnisse bei den hinter der Reihe 12 hydrodynamisch
nach außen zur tragenden Drosselfläche 20 pumpenden Rillen 17,18 der Reihe 16.
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Bei Umkehrung der Drehrichtung dreht die Welle 1 entgegen dem in Fi
gur 1 eingezeichneten Pfeil 2, 80 daß sich auch die Gleitrichtung 13 umkehrt. In
diesem Fall wirken die Rillen 14 der inneren Reihe 12 und die Rillen 17 der äußeren
Reihe 16 hydrodynamisch und pumpen das Strömungs-oder Schmiermittel von ihren Einströmenden
23,32 zu ihren Stauenden 22,27. Dort wird das Strömungs-oder Schmiermittel wiederum
mit hoher Geschwindigkeit entlassen, so daß am, in unmittelbarer Nähe liegenden
Stauende 21,26 ein Unterdruck entsteht und in den benachbarten Rillen 15,18 im Uhrzeigersinn
drehende Wirbel (nicht gezeigt) angemacht werde. Eine Rückströmung des Strömungs-oder
Schmiermittels in den Rillen 15,18 wird also analog zum vorhergehenden Fall verhiedert,
so daß das erfindungggesäße Gleitlager bei beiden Drehrichtungen der Welle 1 eine
hohe axiale-Tragfähigkeit aufweist
In den Figuren 4 und 5 ist die
Gehäusescheibe 41 eines abgeänderten erfindungsgemäßen Gleitlagers gezeigt, welche
zur Aufnahme von Axialbelastungen mit einer sich drehenden Wellenscheibe (nicht
gezeigt zusammenwirkt. Die ebene Gleitfläche 42 dieser Gehäusescheibe 41 besitzt
eine radial äußere Reihe von spiralförmig verlaufenden Rillen 33f343536§38 mit konstanter
Rillenbreite, sowie eine radial innere Reihe von geradlinig schräg verlaufenden
Rillen 59,40mit ebenfalls konstanter Rillenbreite. Sämtliche Rillen haben, wie in
Figur 5 zu sehen, eine Tiefe 43, welche sich zu ihrem Stauende hin allmählich verkleinert.
Dadurch wird die Geschwindigkeit des Strömungs-oder Schmiermittels, welches an den
Stauenden der zum Stauende hin pumpenden Rillen entlassen wird, vergrößert. Demente
sprechend wird der hydrodynamische Unterdruck ähnlich einem Venturirohreffekt am
Stauende der benachbarten, nicht zu ihrem Stauende hin pumpenden Rille besonders
groß, wodurch das Strömungs-oder Schmiermitte-l in diesen nicht zu ihrem Stauende
pumpenden Rillen derart festgehalten wird, daß es nicht radial nach außen aus dem
Gleitlager herausströmen kann. Die richtungsmäßig ineinander übergehenden Stauenden
zweier benachbarter Rillen 33,34 und 35,36 und 37,38 und 39,40 verlaufen in Gleitrichtung,
das heißt in Umfangsrichtung, so daß das von den Stauenden der zu ihren Stauenden
hin pumpenden Rillen entlassene Strömungs-oder Schmiermittel entlang der in unmittelbarer
Nähe liegenden Staukante der benachbarten Rille strömt, wobei die Gefahr einer schädlichen
Strömungsablösung durch abrupte Strömungsrichtungsänderung an den Staukanten abgewendet
ist.
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Die Funktion dieses abgeänderten erfindungsgemäßen Gleitlagers ist
ähnlich wie beim vorhergehend beschriebenen Gleitlager der Figuren 1,-Z und 3, das
heißt, bei Gleitbewegung der Wellenscheibe (nicht gezeigt) in Richtung des Pfeiles
44 in Figur 4 pumpen die Rillen 34, 35, 37' und 38 der radial äußeren Reihe das
Strömungs-oder Schmiermittel (vom äußeren Rand der Gehäusescheibe 41) radial nach
innen zu ihren Stauenden, welche am Rand oder in der Nähe des Randes der
ringförmigen
prosselfläche L5 liegen. Zwischen diese- Drosselfläche 45 und der zusammenwirkenden
Gleitfläche der llenscheibe (nicht gezeigt) wird also das Strömungs-oder ßchmierniittel
gedrückt, so daß dort ein axiallastaufnehmender Schmierfilm entsteht. Die abwechselnd
am Umfang angeordneten Paare von langen pollen 35,3n und kurzen Pillen 37,38 bzw.
37,382 ergänzen sich dabei derart, daß am Rand bzw. radial äußeren Rand der ringförmigen
Drosselfläche 45 eine relativ dichte Folge von in unmittelbarer Nähe liegenden Stauenden
vorhanden ist, wodurch eine tragfähigkeitsmäßig günstige große hydrodynamische Stauwirkung
erzielt wird. Jede einzelne lange Rille 35,36 steht mit der benachbarten, entgegengesetzt
schräg geneigten kurzen Rille 37,57' in kommunizierender Verbindung, das heißt,
ias Sinströmende dieser kurzen Rille 37,37' mündet etwa auf halber Länge der zugehörigen
langen Rille 35,36 in diese Rille 35,36.
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Dadurch wird das Strömungs-oder Schmiermittel in den bei der vorliegenden
Gleitrichtung nicht zu ihrem Stauende pumpenden langen Pillen 36 nicht bloß durch
den besagten Unterdruck, sondern auch durch die Pumpwirkung der hydrodynamisch zu
ihrem Stauende pumpenden kurzen Rillen 37' zurückgehalten und somit in vorteilhafter
Weise im Gleitlager festgehalten.
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Am radial inneren Rand der Drosselfläche 45 liegen die Einströmenden
der Rillen 39,40 der radial inneren Reihe. Die Stauenden dieser Rillen 39,40 münden
am Rand der zentralen kreisförmigen prosselfläche 46. Die bei der vorliegenden Gleitrichtung
44 radial nach innen pumpenden Rillen 40 dieser Reihe bewirken eine weitere Druckvergro
ßerung zur Mitte des Gleitlagers hin, so daß das Gleitlager eine hohe axiale Tragkraft
aufweist.
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Bei Gleitbewegung der Wellenscheibe (nicht gezeigt) entgegen dem Pfeil
44 in Figur 4 werden analog zum Vorhergesagten die Rillen 33,36,37,38' und 39 wirksam
und pumpen das Strömungs-oder Schmiermittel radial nach innen, während das in den
nicht pumpenden Rillen
34,35,37',38 und 40 vorhandene Strömungs-oder
Schmiermittel durch den an ihren Stauenden erzeugten Unterdruck bzw durch die Pumpwirkung
der kurzen Rillen 37 im Gleitlager festgehalten wird.
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In Figur 6 ist ein weiteres abgeändertes erfindungsgemäßes Gleitlager
demonstriert, bei der die stillstehende Gleitbüchse 47 zur Aufnahme einer radial
belasteten, drehenden Welle 48 (strichpunktiert eingezeichnet) in ihrer Bohrung
mit den Rillen 49,50 der Reihe 51 an beiden, mit Strömungs-oder Schmiermittel benetzten
Enden versehen ist, sowie mit den weiter innen liegenden Rillen 52,53 der hintereinandergeschalteten
Reihen 54,55 und 5. Die Rillen 49,50,52 und 53 sind übrigens ähnlich gestaltet wie
beim weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gleitlager der Figuren 1,2 und
3und wirken dementsprechend auch, indem diese sukzessive, das heißt, über zwischengeschaltete
ringförmige Drosselflächen 57,58 und 59, das Strömungs-oder Schmiermittel bei beiden
Wehrichtungen der Welle 48 zur zentralen Drosselfläche 60 pumpen. lin Innern dieses
Gleitlagers wird ein hoher hydrodynamischer Druck zur Aufnahme der radialen Lagerbelastung
zwischen Welle 48 und Gleitbüchse 47 aufgebaut.
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Das erfindungsgemäße Gleitlager ist selbstverständlich nicht auf die
hier beschrieb.nen Ausführungsbeispiele beschränkt sondern kann im Rahmen des Erfindungsgedankens
weitgehend abgeändert werden.
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Zwecks Verstärkung der hydrodvnamischen Tragfähigkeit dieses Gleitlagers
können, zum Beispiel, die Rillen in beiden aufeinander gleitesten Gleitflächen des
Gleitlagers eingearbeitet sein. Im übrigen können die zusamienwirkeiden Gleitflächen
zur Bildung eines Kugelkalottenlagers kugelig gewölbt sein.